Astro-nn.ru

Стройка и ремонт
9 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Рамочная антенна из коаксиального кабеля

Николай Банщиков RN3KK

воскресенье, 28 июля 2013 г.

Магнитная антенна (рамка) на КВ диапазоны

Всем привет!
Вчера осталось пару часов свободного времени. Решил воплотить давнюю идею — сделать магнитную антенну (магнитная рамка). Тому способствовало появление радиоприемника Degen. Сделав магнитную антенну для радиоприемника Degen, я удивился — она не плохо работает!

Т.к. много спрашивают про эту антенну, размещаю простенький эскиз

Данные рамки

Эскиз магнитной антенны на КВ диапазоны
  • диаметр большой рамки 112 см (трубка от кондиционера или газобалонного оборудования авто), очень удобно и недорого применить гимнастический алюминиевый обруч
  • диаметр малой рамки 22см (материал — медный провод диаметром 2 мм, можно и тоньше, но уже не держит форму сам круг)
  • кабель RG58 подсоединяется к малой рамке напрямую и уходит к радиоприемнику ( можно применить трансформатор 1 к 1, чтобы исключить прием на кабель)
  • КПЕ 12/495х2 (можно применить любой другой, просто изменится полоса рабочих частот)
  • диапазон 2.5 — 18.3 МГц
  • чтобы рамка начала принимать 1.8 МГц добавил параллельно конденсатор 2200 пФ

Идея не нова. Один из вариантов лежит тут. Это одновитковая рамка. У меня получилось нечто следующее

Прием прекрасный даже на 1-м этаже частного дома. Я поражен. Эта простая магнитная антенна (магнитная рамка) имеет селективные свойства. Настройка на НЧ острая, на ВЧ поплавнее. С обычным КПЕ 12/495х2 с одной секцией антенна работоспособна вплоть до диапазона 18 МГц. С подключением второй секции — нижняя граница 2.5 МГц.
Особенно впечатлила работа рамки на диапазоне 7 МГц. Оказывается прекрасная магнитная антенна для Degena.

Что не понятно спрашивайте. de RN3KK

Добавлено 19.06.2014
Вот переехал на новый QTH 9 этаж 9-ти этажного дома. На штатный телескоп приемника Sony TR-1000 принимается значительно меньше станций нежели на магнитную рамку. +очень узкая полоса антенны делает ее прекрасным преселектором. Увы волшебства нет, когда сосед снизу включает свою плазму, прием тухнет везде. даже на 144 МГц.

Добавлено 18.08.2014
Удивлению нет предела. Разместил данную антенну на лоджии 9-го этажа. В диапазоне 40м было слышно очень много Японских станций ( дальность до Японии 7500 км). В диапазоне 80м была принята всего одна японская станция в тот же день. Антенна заслуживает внимания. Я не мог даже и подумать что на эту магнитную антенну ( магнитную рамку) возможен прием дальний трасс..

Добавлено 25.01.2015
Магнитная рамка работает и на передачу. Как бы не казалось странным, но отвечают. Не плохо она работает на 14 МГц, на нижних диапазонах эффективность уже не та — нужно увеличивать диаметр. Даже при мощности 10 Вт, поднесенная энергосберегающая лампа светилась почти в полную силу.

Рамочная антенна из коаксиального кабеля

При работе таких антенн в режиме передачи применяют два вида связи антенны с фидерной линией — через магнитную петлю (рис. 3.11) и через схему гамма-согласования (рис. 3.116). Обратите внимание, что и петля связи, и точка подключения экрана кабеля при гамма-согласовании находятся точно напротив подстроечного конденсатора Это необходимо для сохранения симметрии рамки.
Рис. 3.11. Питание передающей магнитной рамки

Обычно диаметр петли связи составляет 0,2 от диаметра основной рамки. С помощью этой петли можно обеспечить удовлетворительное согласование во всем рабочем диапазоне частот магнитной рамки. Надо стараться, чтобы провод для петли не был тоньше того, из которого сделана магнитная рамка.

Второй вид согласования — гамма-согласование. Толщина провода, используемого в его схеме, примерно в 2-5 раз тоньше провода рамки. Его радиус составляет 0,85-0,95 от радиуса основной рамки. Длина L в схеме не должна превышать 0,2 от периметра рамки и чаще всего выбирают значение 0,1. Гамма-согласование требует более тщательной, по сравнению с петлей связи, настройки для разных диапазонов, но при этом обладает более высоким КПД. При работе рамки в двух-трех диапазонах для гамма-согласования всегда можно найти оптимальные размеры. Если к рамке имеется свободный доступ, то для настройки удобно использовать замыкающие перемычки. В любом случае, когда приходится иметь дело с магнитными рамками, рекомендуется устанавливать согласующее устройство.

Если рамка служит только в качестве приемной, то проблем с согласованием обычно не бывает. Оно осуществляется с помощью размещаемого непосредственно около рамки транзисторного усилителя, с выхода которого отфильтрованный и усиленный ВЧ сигнал по коаксиальному кабелю поступает на вход приемника.

РАЗМЕРЫ И ИСПОЛНЕНИЕ МАГНИТНЫХ РАМОЧНЫХ АНТЕНН

Характерные размеры передающей рамочной антенны приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2.

Периметр рамки, см5080100200500400
Высшая рабочая частота, МГц29211473,51,9

При таких размерах рамка эффективно работает на трех соседних диапазонах длин волн, например 10, 15 и 20 или 40, 80 и 160 м. Ее эффективность на верхней частоте максимальна, а на более низких снижается. Приведенные в этой таблице данные соответствуют магнитной рамке без экрана. Если имеется электростатический экран, то следует учитывать емкость между ним и внутренним проводом, которая уменьшает резонансную частоту рамки. Для удовлетворительной работы периметр рамки должен быть не менее 0,08 от рабочей длины волны.

С помощью конденсатора рамку можно настроить на еще более низкие частоты, однако в режиме передачи подобная конструкция станет уже совсем мало эффективной.

Как было показано выше, входное сопротивление магнитных рамок невелико. Это затрудняет согласование антенных систем, в которых магнитная рамка работает на передачу, без ее настройки в резонанс с рабочей частотой.

Рамочная антенна имеет свою собственную индуктивность. Ее можно рассчитать по известной формуле или измерить с помощью соответствующих приборов. Присоединив к разомкнутым концам рамки переменный конденсатор, получим обычный колебательный контур, который можно настраивать в широком диапазоне частот. На рис. 3.11 показаны две схемы связи рамки с кабелем: через петлю связи (а) и с применением гамма-согласования (б); под ними изображены соответствующие аналоги на сосредоточенных элементах в виде индуктивной и трансформаторной связи с контуром.

В колебательном контуре, образованном рамкой и конденсатором, электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора, а магнитное — вокруг рамки. Результаты решения задачи нахождения оптимальных размеров рамки и емкости конденсатора были приведены выше. Из них следует, что длина рамки должна составлять приблизительно 0,08 от длины волны, а емкость конденсатора — около 30-50 пФ в диапазоне 2-30 МГц.

Рамка меньшей длины будет излучать менее эффективно из-за низкой добротности. Последняя, как известно, определяется выражением: Q=(L/C)/Rп, где L — индуктивность рамки, Гн; C — емкость на конце рамки, Ф; Rп — сопротивление потерь в рамке, Ом.

Одновитковая рамка, в отличие от многовитковых, имеет максимальное отношение L/C и минимальное сопротивление потерь. Рамку, длина которой больше, чем 0,08 рабочей длины волны, возможно не удастся настроить в резонанс, вследствие чего ее согласование станет проблематичным.

Поэтому, для работы в режиме передачи целесообразно применять одновитковую рамку. При настройке ее в резонанс, когда от передатчика поступает значительная мощность и рамка хорошо согласована, по ней могут протекать ВЧ токи в сотни ампер. Поэтому желательно, чтобы передающая магнитная рамочная антенна была выполнена из медной трубы большого диаметра. Можно отполировать ее поверхность до зеркального блеска. Конденсатор переменной емкости обязательно должен быть высококачественным, лучше — без трущихся контактов. В крайнем случае, можно обойтись обычным спаренным конденсатором переменной емкости, подключенным к рамке только статорными (неподвижными) секциями (рис. 3.12). Не следует применять конденсаторы с твердым диэлектриком из-за их низкой добротности.
Рис. 3.12. Обычный конденсатор переменной емкости в магнитной рамке

Заметим, что иногда встречаются сообщения об использовании радиолюбителями для работы в режиме передачи ненастраиваемых магнитных рамочных антенн.

Задача эффективного согласования такой рамки с передатчиком даже теоретически очень сложна и выходит за рамки обычной радиолюбительской практики, поэтому этот тип антенн здесь не рассматривается. Не рекомендуем радиолюбителям, не имеющим соответствующей теоретической и практической подготовки, пользоваться такими конструкциями, так как результат будет неутешительным.

Когда магнитные рамки служат в качестве приемных антенн, проблема КПД стоит не так остро. Поэтому для них подходят конденсаторе с твердым диэлектриком или воздушные с трущимися контактами. Рамку делают многовитковой, что позволяет уменьшить ее размеры. Для рамки можно использовать и тонкий провод. Часто применяют коаксиальный кабель, внутренняя жила которого образует рамку, а оплетка выполняет функции ее экрана.

Источник: Григоров И.Н. Практические конструкции антенн. СОГЛАСОВАНИЕ РАМКИ И ПИТАЮЩЕГО КАБЕЛЯ

Индуктивная связь и согласование также широко распространены благодаря простоте реализации. Чаще всего применяется вариант, показанный на рис. 20.7. Внутри большой петли размещают малую индуктивную петлю с соотношением диаметров 5:1. Благодаря симметричной связи через симметрирующий трансформатор на кольцевом сердечнике 1:1 можно подсоединять 50-омный коаксиальный кабель.
Рис. 20.7. Рамочные антенны с индуктивной связью:
а — симметричное подключение с симметрирующим трансформатором
на кольцевом сердечнике 1:1; б — несимметричная связь;
в — индуктивная связь с экранированием (детальный эскиз).

При несимметричной связи (рис. 20.7б) коаксиальный кабель подключается непосредственно. Электрически целесообразный способ индуктивной связи представлен на рис. 20.7в. Здесь показан только связующий виток из коаксиального кабеля с разрывом его экрана посреди витка. Экран части правой половины шлейфа припаивается к основанию большого кольца (см. рисунок), и в этом месте антенну заземляют. Слегка деформируя шлейф из коаксиального кабеля, добиваются тонкой настройки антенны на минимальный КСВ. Считается, что диаметр d должен быть тем меньше, чем выше рабочая добротность антенны.

Источник: К.Ротхаммель. Антенны. Том 2. Издание 11. 2001г.

Рамочная КВ — УКВ антенна.
Комнатная нерезонансная магнитная антенна для широкополосного приёма.

Собственно говоря, петь дифирамбы и рекламировать магнитные рамочные антенны, и нужды-то особой нет. Вся благодатная информация об этом типе антенн и использованию их в радиолюбительской практике легко находится в сети, либо черпается из умных книжек. Тут тебе — и теоретические выкладки с формулами, и диаграммы направленности антенн, и величины КПД в режиме передачи, и многочисленные варианты практических конструкций.
Казалось бы, собирай — не хочу!

Но как это часто случается, в самый не походящий момент к радиолюбителю с напильником в руке и водопроводной трубой в другой, бесшумно подкрадывается маленькое «но» — все эти, так подробно описанные магнитные рамки являются резонансными. А это значит, что одновременно с вращением ручки настройки приёмника, нам надо исхитриться и крутануть ещё конденсатор переменной ёмкости, являющийся неизбежным атрибутом резонансных рамочных антенн.
Задачка эта, скажу я Вам, не для слабонервных, особенно если антенна покоится где-нибудь на подоконнике, или, не дай бог, на балконе, а Вы со своим Дегеном и баночкой пивка вальяжно развалились на диване в надежде с комфортом и знанием дела просканировать эфир.

Так вот, если подобные манипуляции не гасят блеск в глазах радиолюбителя, то ему прямая дорога в стройные ряды почитателей резонансных рамочных антенн. Антенны эти весьма хороши, к тому же одновременно с приёмом, обеспечивают хорошую преселекцию сигнала от внеполосных помех.

А мы, хлопцы ленивые, но умные — будем делать нерезонансную широкополосную рамочную КВ — УКВ антенну.
Описаний конструкций подобных антенн значительно меньше, чем резонансных аналогов, но всё же они существуют.
Я в своё время мастерил широкополосную магнитную антенку, приведённую на странице радиофорума http://www.radioscanner.ru/forum/topic34670.html, уважаемым участником по имени-отчеству 1428. Антенна вела себя аккурат в соответствии с описанием автора и позволяла в городской квартире, в отличие от штатного телескопа, наслаждаться не только китайскими вещалками, но и сиплыми голосами мощных радиолюбителей.

Читать еще:  Как надежно соединить любые провода без пайки

Приёмные свойства у неё оказались несколько хуже, чем у 5-ти метрового провода, выброшенного в окно, но не намного.
— А можно сделать так, чтоб оказались несколько лучше? — задался я вопросом, в душе понимая, что с этой задачей может справиться только усилитель, прилаженный между антенной и низкоомным входом приёмника.

Делать такую же высокодинамичную схему, какую мы вымучивали для куска длинного провода на странице ссылка на страницу , абсолютно не хотелось, к тому же сигнал антенка выдаёт слабенький и входные цепи нашего усилителя она не перегрузит, да и потребление тока желательно сделать не слишком большим, чтобы запитаться от 9-ти вольтовой батарейки системы «Крона».

В результате получилась следующая схема.

А с какого перепуга забабахано такое количество катушек? — возникает резонный вопрос.
Ответ простой — с перепугу перегрузить смеситель и спровоцировать недозволительный уровень интермодуляционных искажений во входных цепях радиоприёмника, которые в конечном итоге сведут на нет весь смысл от применения усилителя.

Слабенький, но очень широкополосный сигнал с выхода нерезонансной рамочной антенны, пройдя каскодный усилитель на транзисторах Т1 и Т2 уже не окажется таким слабеньким, но останется таким же широкополосным, а это верный путь к перегрузке последующих каскадов.

Параллельные резонансные контуры, введённые в схему, выполняют функции диапазонных фильтров и обеспечивают усиление каскада только в полосе, определяемой резонансной частотой этих контуров.
Высокой добротности от катушек индуктивности не требуется, мало того — она намеренно понижается введением резистора R2. Сделано это с целью расширения полосы пропускания резонансных фильтров, что в свою очередь позволяет не слишком часто отвлекаться от процесса на переключение диапазонов. А посему, дешёвые китайские дроссельки здесь, как нельзя лучше, окажутся на своём месте.

Усиление сигнала, поступающего с выхода нашей рамочной антенны через трансформатор Tr1, осуществляется каскодным усилителем на транзисторах Т1 и Т2.
Каскодные усилители в резонансных каскадах имеют определённые преимущества перед однотранзисторными, углубляться в этот вопрос мне лень, если интересно — почитайте о применении каскодных схем в УПЧ радиоприёмников.
Коэффициент передачи усилителя зависит от положения движка потенциометра R9 и принимает значение 0 — 25 дБ.
Эмиттерный повторитель на транзисторе Т3 согласует выход нашей схемы с 50-тиомным входным сопротивлением радиоприёмника.

Теперь трансформатор Tr1, он же балун, он же устройство для согласования несимметричного входа усилителя с симметричной антенной — выполняется на двух ферритовых трубках от кабелей мониторов, которые после аккуратного извлечения из пластиковых оболочек, необходимо склеить посредством любого эпоксидного клея.
Первичные обмотки содержат по 2 витка любого монтажного или силового провода в изоляции, вторичная — 5 витков.
Первичные обмотки наматываются сразу в два провода, желательно, чтобы они были разных цветов, чтобы впоследствии соединить начало одной обмотки с концом другой и получить среднюю точку, которую направить в контакт с земляной шиной.

Также трансформатор можно выполнить в точном соответствии с рекомендациями и фотографиями участника радиофорума 1428 по ссылке, приведённой выше, или на нашей странице ссылка на страницу .

Толщину проводов следует выбирать из соображений максимальной плотности обмоток внутри бинокля, чем сложнее будет «пропихиваться» последний виток, тем лучше будет работать трансформатор.

Как правило, конструкции рамочных антенн представляют собой кусок коаксиального кабеля со снятой внешней оплёткой в центральной части полотна. Однако, проведённое сравнение с рамкой, выполненной из обычного провода, показала, что никакими преимуществами, с точки зрения шумовых свойств рамочной антенны, коаксиальный кабель не даёт.
Поэтому, антенну можно выполнить из любой трубки или провода достаточной жёсткости, длинной в 90-100 см, свернуть всё это хозяйство в кольцо и считать свою миссию выполненной.

Ну, вот и всё, рамочная КВ — УКВ антенна собрана, испытана, преимущества перед пассивными прототипами выявлены, за сим и откланиваюсь. Всем творческих побед в борьбе с помехами, промышленными шумами и прочей рукотворной дрянью.

P. S. Боевые испытания изделия, проведённые в экстремальных условиях городской квартиры, выявили возможность улучшения приёмных свойств антенны на нижних диапазонах радиоэфира (на 1-2 балла по S-метру радиоприёмника). Происходит это при подключении параллельно рамке конденсатора С15 ёмкостью 470пФ в диапазоне 5-10 Мгц, либо С16 ёмкостью 2000пФ в диапазоне 2-5 Мгц.

А на следующей странице продолжим дальнейшие изыскания по улучшению приёмных свойств подобных магнитных, рамочных и, конечно же, нерезонансных антенн.

Опыты с магнитными рамочными антеннами

Опыты с магнитными рамочными антеннами

Александр Грачёв UA6AGW

В прошлом году мне в руки попал 6-ти метровый отрезок коаксиального кабеля. Еготочное название: «Кабель коаксиальный 1″гибкий LCFS 114-50 JA, RFS (15239211)». Он имеет очень небольшой вес, вместо внешней оплётки сплошную гофрированную трубу из безкислородной меди диаметром около 25 мм, центральный проводник – медная трубка
диаметром около 9 мм (см. фото). Это и подвигло меня взяться за постройку рамочной антенны. Об этом я и хочу рассказать.

Первая антенна была построена по схеме DF9IV. При диаметре около 2 м и такой же длине петли питания, выполненной из коаксиального кабеля, она очень хорошо работала на прием, но откровенно плохо на передачу, КСВ достигал 5-6.
Рабочая полоса по приему (на уровне –6 дБ) порядка 10 кГц. При этом она отлично подавляла электрические помехи, при определенной ориентации в пространстве подавление мешающей станции легко получалось более 20 дБ.

После некоторых размышлений я пришел к выводу, что причиной высокого КСВ является использование возбуждающим элементом внутреннего проводника с его относительно небольшим диаметром. Было принято решение внутренний проводник не использовать вовсе, оставив его в виде не замкнутого витка.

Настроечный конденсатор был припаян к внешнему экрану. Приемные характеристики изменились незначительно, менее выраженным стал минимум в диаграмме, стало заметно влияние окружающих предметов. Но на передачу мало что изменилось. Далее после прочтения очередной раз статьи Григорова, было решено снять внешнюю оплетку с кабеля рамки, а медь покрыть в два слоя лаком «ХВ» (более подходящего не нашлось, впрочем, он неплохо защищает медь от
окисления). И тут, наконец, появились первые положительные результаты. КСВ снизился до 1,5, было проведено около 20 местных связей. Антенна находилась на высоте 1,5 м и могла вращаться в вертикальной плоскости.

Для сравнения использовался диполь общей длиной 42,5 м, выполненный из полевого провода с симметричной линией питания из телефонной «лапши» длиной около 20 м (этакая антенна «нищего радиолюбителя»), расположенный на крыше 5-ти этажного дома на высоте около 3-х метров. Он работал на 40 и 80 метрах, запитанный через симметричное согласующее устройство – КСВ на обоих диапазонах = 1,0. К сожалению, антенны находились в разных QTH и не было
возможности провести прямое сравнение. Но опыт эксплуатации диполя в течение года позволял судить об эффективности рамки в первом приближении.

Теперь собственно о результатах: 1) КСВ около 1,5. 2) Все корреспонденты отмечали снижение (от 1 до 2-х балов) уровня моего сигнала, по сравнению с тем, с которым они меня обычно слышат на диполь.

Начавшиеся к этому времени дожди (как говорится: «через день-каждый день»), сделали невозможными дальнейшие антенные эксперименты. Главной причиной невозможности дальнейших испытаний стали постоянные пробои настроечного
конденсатора из-за возросшей влажности воздуха.

Я испробовал, пожалуй, все доступные мне варианты, применял подключение только статорных пластин, соединяя два КПЕ последовательно, применял конденсаторы из коаксиального кабеля, высоковольтные конденсаторы
– все это заканчивалось одним – пробоем. Не попробовал я только вакуумные конденсаторы, остановила их непомерно высокая стоимость.

И вот здесь пришла идея использовать ёмкость по отношению к внешнему экрану незадействованного внутреннего проводника. Попытка рассчитать необходимую длину кабеля по известной погонной ёмкости кабеля, не привела к достоверным результатам, поэтому был использован метод постепенного приближения.

Очень жаль было резать такой замечательный кабель, но «охота – пуще неволи». Схема соединений на рисунке. Для питания использовалась петля из коаксиального кабеля длиной 2 м, по схеме DF9IV, сам питающий 50-омный кабель был длиной 15 м. Можно было предполагать, что общая ёмкость получится в соответствии с формулой последовательно включенных конденсаторов,но настроечный конденсатор является как бы продолжением собственной ёмкости кабеля.
Для настройки использован конденсатор типа «бабочка» от УКВ аппаратуры.

Пробои полностью прекратились, антенна сохранила все основные параметры классической магнитной рамочной антенны, но стала однодиапазонной.

Основные результаты следующие: 1) КСВ порядка 1,5 (зависит от длины и формы питающей петли). 2) Магнитная антенна заметно проигрывает диполю (описан выше) при сопоставимой высоте подвеса. Опыты проводились в диапазоне 80 м.

Заняться дальнейшими опытами с магнитными антеннами меня подтолкнули статья К. Ротхаммеля во втором томе его книги, посвященная магнитным рамкам, и статья Владимира Тимофеевича Полякова о рамочно-лучевой или настоящей ЕН антенне, а для понимания процессов, происходящих в антеннах и вокруг них, оказалась очень полезной статья о ближнем поле антенн.

После прочтения статьи о рамочно-лучевой антенне у меня родилось несколько многообещающих проектов, но в настоящее время испытан только один, о нём и пойдёт речь. Схема антенны изображена на рисунке, внешний вид – на фото:

Все ниже перечисленные опыты проводились в диапазоне 40м. В первых опытах антенна была на высоте 1,5 м от земли. Испробованы различные способы подключения «дипольной» (ёмкостной) части антенны к рамке, но изображенный на рисунке мне показался оптимальным. Здесь предпринята попытка магнитную рамку, излучающую преимущественно магнитную составляющую, дооснастить элементами, излучающими в основном электрическую составляющую.

Можно на эту же антенну посмотреть иначе: катушка, включенная в середину диполя, как бы удлиняет его до необходимых размеров, и вместе с тем лучи, включенные параллельно настроечному конденсатору, обладают собственной емкостью (при указанных размерах порядка 30 — 40 пФ) и входят в общую ёмкость настроечного конденсатора.

Контур, образованный внутренним проводником и конденсатором, кроме того, что повышает уровень сигнала на приеме приблизительно вдвое, по видимому, сдвигает фазу тока собственно рамки, и обеспечивает необходимое фазовое согласование (попытка отключить его приводит к увеличению КСВ до 10 и более). Возможно, мои теоретические рассуждения не совсем верны, но как показали дальнейшие опыты, антенна в данной конфигурации работает.

Ещё при самых первых опытах был замечен интересный эффект – если при неподвижной дипольной части повернуть
рамку на 90 градусов – уровень сигнала по приему падает приблизительно на 10 — 15дБ, а на 180 градусов – прием падает едва ли не до нуля. Хотя логично было бы предположить, что при повороте на 90 градусов диаграммы направленности «дипольной» части и рамки совпадут, но видимо не всё так просто.

Был изготовлен промежуточный вариант антенны, способной поворачиваться вокруг своей оси, с целью выяснить диаграмму направленности, она оказалась такой же, как и у классической рамки. Питание антенны осуществлялось той же петлей связи, что и в первых опытах. В настоящее время антенна поднята на высоту 3-х метров, лучи идут параллельно земле.

1) КСВ = 1.0 на частоте 7050 кГц, 1.5 на 7000кГц, 1,1 на 7100кГц.
2) Антенна не требует перестройки по диапазону. С помощью конденсаторов П-контура трансивера возможна некоторая подстройка антенны в случае необходимости.
3) Антенна весьма компактна.

На расстоянии до 1000 км рамка и диполь имеют приблизительно одинаковую эффективность, а на расстоянии более 1000 км рамка работает заметно лучше волнового диполя при одинаковой высоте подвеса, при этом рамка вчетверо
меньше диполя. Диаграмма направленности близка к круговой, минимумы мало заметны. Проведено около ста связей с 1;2;3;4;5;6;7;9 районами бывшего СССР.

Читать еще:  Как подключить лампочку через выключатель — схемы соединения

Отмечен интересный эффект – оценка силы сигнала в большинстве случаев оставалась приблизительно одинаковой и при расстоянии до корреспондента 300 км и 3000км, на диполе такого не наблюдалось. Интересна реакция операторов,
когда я сообщал, на чем работаю – изумление, что на этом можно работать! Все опыты проведены на самодельном SDR трансивере с выходной мощность 100 Вт.

Записки программиста

Магнитная рамочная антенна на диапазоны 20/30/40 метров

Магнитная рамочная антенна или магнитная рамка (magnetic loop antenna) — это особая антенна, которая заметно отличается от классических диполей, вертикалов и волновых каналов. Несмотря на похожее название, антенна имеет мало общего с рамочной антенной. Главной отличительной чертой магнитной рамки является длина полотна в пределах от 1/8 λ до 1/4 λ. Антенна безусловно является компромиссной. Тем не менее, магнитные рамки довольно сносно работают как на прием, так и на передачу.

Конструкция

Принцип работы магнитной рамочной антенны с диаграммами направленности, вариантами согласования и всяким таким хорошо освещены в книгах об антеннах, коих написано немало. Есть даже книги, посвященные исключительно магнитным рамкам, см рекомендуемые ссылки в конце поста. Если вас интересует теория, а также происхождение названия антенны, начать можно со статьи в Википедии. Далее будут озвучены кое-какие особенности устройства магнитных рамок. Однако в целом эта статья об изготовлении и тестировании одной конкретной антенны, а не о теории работы всего класса антенн.

Сразу покажу, что у меня получилось:

Диаметр основной петли я выбрал 1.2 метра, как подходящий для выхода на 20 метров, и в то же время достаточно небольшой, чтобы с ним было комфортно работать. В качестве полотна использована оплетка коаксиального кабеля RG213. В полотне магнитной рамки текут большие токи, даже при работе с умеренной мощностью. Поэтому полотно делают из толстого коаксиального кабеля, медных труб, алюминиевого профиля или чего-то такого. Магнитная рамка наиболее эффективна, если полотно образует ровный круг, но антенны также делают в форме восьмиугольника, шестиугольника, ромба, квадрата или треугольника.

Полотно крепится к секциям от телескопической удочки, соединенным крест-накрест, при помощи изоленты. Сам же каркас стоит на штативе для фотоаппарата. Соединены они также при помощи изоленты. Штатив какой-то недорогой, буквально первый попавшийся мне в магазине. Точную модель уже не вспомню.

Антенна запитывается с помощью коаксиального кабеля RG58. Для подавления синфазного тока я использовал проверенный метод. Восемь витков кабеля были намотаны на ферритовом кольце FT240-31. Кольцо можно видеть в середине фотографии. Вопрос о синфазных токах и их подавлении ранее подробно рассматривался в статье Самодельный диполь: теория и практика.

Будучи расположенной вертикально, как на фото, антенна сильнее всего излучает влево и вправо (что полностью противоречит интуиции, во всяком случае, моей). По форме диаграмма направленности похожа на «восьмерку», как у диполя. Эту же антенну можно расположить горизонтально. Тогда она превратиться во всенаправленную — диаграмма направленности по форме будет примерно как у вертикала. Заметьте, что усиление магнитной рамки всегда измеряется в отрицательных dBi. На то она и компромиссная антенна.

В нижней части антенны расположен КПЕ:

Это КПЕ с заявленной емкостью от 22 до 360 пФ на напряжение до 1 кВ. Напомню, что в свое время мной было приобретено три таких КПЕ. Пара использовалась в самодельном тюнере, выполненным по Т-образной схеме и еще один, который я брал, как запасной, был применен в антенне Фукса. После того, как тюнер из первой статьи был переделан на LC-схему, у меня остался один лишний КПЕ. Он и был использован в магнитной рамке.

Антенна в сущности представляет собой резонансный LC-контур. Полотно антенны образует катушку индуктивности с воздушным сердечником из одного витка. Соответственно, при помощи КПЕ подбирается резонанс на интересующей частоте. Конденсатор обязательно нужен на высокое напряжение, 1 кВ минимум. Судя по информации в сети, этого типично хватает для работы с мощностью от 10 до 50 Вт, в зависимости от частоты и вида модуляции. Для работы с большей мощностью применяют вакуумные КПЕ.

Fun fact! Магнитные рамки также делают из двух и более витков. Минусы такого подхода — сужение полосы и без того узкополосной антенны, уменьшение излучаемой энергии, а также рост напряжения на КПЕ, что еще сильнее ограничивает подводимую к антенне мощность.

Конденсатор приклеен к куску оргстекла при помощи эпоксидки. В оргстекле просверлены отверстия, в которые продеты нейлоновые стяжки. С их помощью осуществлено крепление оргстекла к штативу, а также полотна антенны к оргстеклу.

В верхней части антенны расположена согласующая петля, также сделанная из RG213. Подключение питающего кабеля к согласующей петле выполнено так:

Я использовал недорогой переходник с BNC на две клеммы, купленный на eBay. Соответственно, к концам петли были припаяны наконечники M6. В остальном конструкция аналогична той, что использовалась для крепления КПЕ. На пятна зеленой краски на оргстекле не обращайте внимания. Просто оно использовалось в качестве подкладки, когда я что-то красил.

Согласующая петля имеет длину 20% от длины основной петли. Длина последней составляет 3.77 метра, соответственно длина согласующей петли — 0.75 метра. Она крепится к верхней части антенны на все той же изоленте. Никакого непосредственного соединения между двумя петлями нет. Меньшая петля нужна по той причине, что магнитная рамка имеет низкое входное сопротивление. Его нужно как-то согласовать с 50 Ом коаксиального кабеля. Согласующая петля вместе с основной петлей образуют трансформатор, которой именно это и делает.

Выходим в эфир

Настройка антенны на конкретную частоту осуществляется вращением КПЕ. Грубую настройку можно произвести либо по уровню эфирного шума, либо по индикатору напряженности поля. Для более точной настройки необходим антенный анализатор.

Оказалось, что антенна неплохо настраивается сразу на три радиолюбительских диапазона:

Антенна довольно узкополосная. Это общее свойство всех магнитных рамок. Если вы работаете только в цифре и/или телеграфе, для вас это вряд ли будет проблемой. Для работы на поиск в SSB антенну придется постоянно перестраивать.

Отмечу, что КСВ зависит от того, где и как вы поставили антенну. Для работы магнитной рамке не требуется система противовесов. Также она мало чувствительна к высоте от земли. Однако она, как и любая другая антенна, чувствительна к находящимся поблизости металлическим предметам.

Мне удавалось найти положение, при котором КСВ вгонялся ровно в единицу, а также положение, при котором КСВ не опускался ниже двух. Приведенные графики можно воспринимать, как усредненные. Это не лучшие графики, которые я получал, но и не самые плохие. Также эти графики соответствуют положению антенны, в котором проводились тестовые радиосвязи.

Fun fact! Антенна настраивается на любую частоту от 4.5 МГц до 15.4 МГц. В этот интервал, помимо прочего, попадает радиолюбительский диапазон 60 метров, частоты 5.3515-5.3665 МГц. К сожалению, он не разрешен в России для работы на передачу, однако принимать вы можете все, что пожелаете. Также антенна может быть использована для приема номерных радиостанций, да и вообще чего угодно, что попадает в названный интервал частот.

Антенна была установлена в частном загородном доме, возле окна на втором этаже. Направление было выбрано на запад и на восток. Но поскольку на одном уровне с антенной находятся соседские дома, имеющие металлические крыши, сигнал все равно отразится куда угодно. Радиосвязи проводились в FT8 и телеграфе. Экспериментальным образом я установил, что антенна уверенно держит до 40 Вт в любом из этих режимов на любом из диапазонов. При использовании большей мощности что-то где-то начинает перегреваться (вероятно, изолятор в кабеле) и КСВ уплывает, а при мощности 80 Вт КПЕ гарантированно пробивает.

Важно! При работе на магнитную рамку с мощностью 40 Вт рекомендуется находится от нее на расстоянии не менее пяти метров. При использовании мощности 10 Вт или меньше это расстояние может быть уменьшено до двух метров.

Радиосвязи были успешно проведены в каждом из диапазонов. На 40 метрах в FT8 по расстоянию победила Великобритания, 2752 км. При этом был получен рапорт -16 дБ. В телеграфе победил Краснодар, расстояние 1250 км, рапорт 569. На 30 метрах в FT8 по дальности победила Италия, 2250 км с рапортом -24 дБ, в телеграфе — Норвегия, 1170 км с рапортом 579. На 20 метрах в FT8 победил город Омск, 2240 км с рапортом -25 дБ, в телеграфе — Израиль, 2660 км, рапорт 599 (по всей видимости, символический). Само собой разумеется, были проведены и другие радиосвязи. При этом на каждом из диапазонов я работал недолго, буквально по паре часов.

При работе в FT8 сайт pskreporter.info типично показывает что-то вроде:

Здесь показан отчет после 15 минут работы на общий вызов в диапазоне 40 метров. Это наихудшая картина, поскольку антенна наименее эффективна в этом диапазоне. На 30 и 20 метрах картина аналогичная, только на 20 метрах мой сигнал еще иногда долетает до США и Канады.

Полученные результаты превзошли все мои ожидания. Учитывая размеры магнитной рамки, тот факт, что она использовалась из дома, а также ограниченную мощность, считаю, что антенна показала себя прекрасно. Я намерен продолжить экспериментировать с этим видом антенн.

Заключение

  • Magnetic Loop Antenna: Slightly Different Each Time, 4th Edition — интересная книжка, полностью посвященная магнитным рамкам. Многое из написанного выше, в том числе про безопасное расстояние до антенны и недостатки антенн из нескольких витков, я почерпнул из нее;
  • Small Transmitting Loop Antennas, автор Steve Yates, AA5TB. Хорошая статья о магнитных рамках, а также подборка ссылок на эксперименты многих радиолюбителей;
  • Есть несколько онлайн-калькуляторов магнитных рамок, например первый и второй. Я бы не стал слишком уж доверять подобным калькуляторам. Но чтобы прикинуть размеры и эффективность будущей антенны они сгодятся;
  • В свое время мне очень понравилась серия статей о магнитных рамках в блоге esorensen.com. К сожалению, сейчас этот сайт доступен только на web.archive.org;

Магнитную рамку можно безусловно рекомендовать как интересный эксперимент для повторения. Также ее по достоинству оценят радиолюбители, не имеющие возможности установить полноразмерную КВ антенну на улице или на крыше. Магнитная рамка может быть интересным вариантом для выхода в эфир, будучи в гостях, живя в отеле или работая в полевых условиях. Но в последнем случае придется приложить чуть больше усилий, чтобы антенна была разборной, герметичной, и устойчивой к ветру. Еще на магнитную рамку можно провести радиосвязи в направлениях, в которых обычно не работает ваша основная антенна. Наконец, для многих радиолюбителей магнитная рамка, вероятно, будет одним из немногих способов выйти на диапазоны 80 и 160 метров.

В общем, антенна интересная, и определенно имеет свои области применения.

Радио-как хобби

Делаем рамочную активную антенну для простых коротковолновых радиоприемников.

Есть ли возможность слушать эфир людям, у которых нет места для установки больших, полноразмерных антенн? Один из выходов- рамочная активная антенна, установленная прямо на столе, возле радиоприемника.

О практическом изготовлении подобной антенны и будет рассказано в этой статье…

Читать еще:  Практика разводки и подключения ТВ кабеля в квартире – особенности процесса

Итак, малогабаритная рамочная активная антенна, это антенна состоящая из одного или нескольких витков медного провода ( трубки) или даже коаксиального кабеля. В сети есть предостаточно примеров таких антенн.

Свою антенну я изготовил в виде вертикальной конструкции, которая устанавливается на столе возле радиоприемника. Рамочная активная антенна представляет собой этакую большую катушку индуктивности, изготовлена из медного провода диаметром 1,2 мм и содержит четыре витка. Количество витков выбрано наобум)). Диаметр изготовленной рамочной антенны примерно 23 см:

Для уменьшения собственной емкости витки антенны намотаны с шагом 10 мм. Для поддержания постоянства шага намотки, а также придания всей конструкции необходимой жесткости применены промежуточные распорки, изготовленные из стеклотекстолита толщиной 2 мм. Эскиз распорок приводится ниже:

Так выглядит промежуточная распорка в антенне:

Для придания устойчивости все этой конструкции применены опорные стойки, также изготовленные из стеклотекстолита,и которые служат как бы ножками антенны:

Медный провод продевается в соответствующие отверствия распорок и стоек, и фиксируется в них капелькой цианакрилатного клея.

Так выглядит стойка в изготовленном экземпляре антенны:

Общий вид изготовленной антенны:

Ради интереса подключил изготовленную рамочную антенну к антенному анализатору АА-54.

Обнаружился собственный резонанс антенны на частоте 14,4 МГц.

На фото ниже дисплей антенного анализатора АА-54 в момент измерения параметров рамочной антенны на частоте резонанса:

Как видим, импеданс антенны на частоте 14,4 МГц составляет 13,5 Ом, активное сопротивление-7,3 Ома, реактивное сопротивление относительно небольшое-минус 11,4 Ома и носит емкостной характер.

Индуктивность рамочной антенны ( а она, собственно, и представляет собой катушку индуктивности) составила 7,2 мкГн.

Это все, что касается изготовления и параметров собственно рамочной антенны.

Но, поскольку антенна активная, значит в ее составе имеется и антенный усилитель.

При выборе схемы антенного усилителя руководствовался принципом подобрать что-либо не слишком заумное и сложное, и простое в изготовлении.

Гугл, как всегда, вывалил гору схем)) Не долго думая, выбрал одну из них, которая мне показалась интересной.

Схема этого антенного усилителя была опубликована еще где-то в начале 2000-х годов в одном из зарубежных журналов. Мне этот усилитель показался интересным с той точки зрения, что он имеет симметричный вход-как раз подходящий для моей рамочной антенны.

Принципиальная схема антенного усилителя:

В оригинале в этом усилителе были применены транзисторы серии BF- что-то типа BF4**.

В наличии таких не оказалось, поэтому собрал усилитель из того, что было под рукой-2N3904, 2N3906, S9013.

Собственно, усилительный каскад собран на транзисторах VT1VT2. На транзисторе VT3 собран эмиттерный повторитель для согласования высокого выходного сопротивления усилителя с относительно невысоким входным сопротивлением радиоприемников.

Усилитель питается напряжением 6 В. Режимы работы транзисторов устанавливаются подбором резистора R3. Напряжения на электродах транзисторов указаны на схеме.

Усилитель заработал практически сразу. Попробовал было установить в этом усилителе транзисторы КТ315,Кт361-но эффективность работы его сразу заметно ухудшилась, поэтому от такого варианта отказался. Антенный усилитель я собрал на монтажной плате, но, подготовил и печатную плату для него:

В качестве приемника для натурных испытаний активной рамочной антенны с усилителем был выбран приемник прямого преобразования на микросборке 2ТС613Б.

Подключив выход антенного усилителя ко входу приемника и включив питание, сразу отметил увеличение уровня шума. Это и не удивительно-антенный усилитель вносит свой вклад…

Последним этапом испытаний было подключение собственно рамочной антенны ко входу антенного усилителя и попробовать принять какие-либо сигналы с эфира..

И это удалось! Хорошо слышны много станций работающих с однополосной модуляцией на диапазоне 40 м. Понятно, что станции слышны не так громко как на полноразмерную антенну. Да и нельзя сравнивать нормальную антенну с рамочной антенной, находящейся рядом с приемником. Также при работе активной рамочной антенны наблюдается несколько повышенный уровень шумов. С этим нужно мириться- это плата за малогабаритность. Также желательно такую антенну располагать подальше от всевозможных источников помех- зарядки, энергосберегающие лампочки, сетевое оборудование и т. п.

Выводы: такая антенна вполне себе имеет право на жизнь, станций принимает достаточно много. Для тех, у кого нет возможности повесить большую, длинную антенну, это может быть выходом из ситуации.

Видео демонстрации работы рамочной активной антенны на диапазоне 7 МГц:

Магнитные антенны из коаксиального кабеля

Магнитная рамочная домашняя антенна – отличная альтернатива классическим наружным. Такие конструкции позволяют передавать сигналы до 80 м. Для их изготовления чаще всего применяют коаксиальный кабель.

Классический вариант магнитной рамочной антенны

Рамочная магнитная установка – подтип малогабаритных любительских антенн, которые могут быть установлены в любой точке населенного пункта. При одинаковых условиях рамки показывают более стабильный результат, чем аналоги.

В домашней практике используют наиболее удачные модели популярных производителей. Большинство схем приведено в любительской литературе радиотехников.

Магнитная рамочная антенна из коаксиального кабеля в помещении

Сборка антенны своими руками

Материалы для изготовления

Основным элементом является коаксиальный кабель нескольких типов, длиной 12 м и 4 м. Для сооружения рабочей модели также нужны деревянные планки, конденсатор 100 пФ и коаксиальный разъем.

Сборка

Магнитная рамочная антенна сооружается без специальной подготовки и знания технической литературы. Придерживаясь порядка сборки, можно с первого раза получить рабочее устройство:

  • деревянные планки соединить крестом;
  • в дощечках пропилить канавки, глубиной соответствующие радиусу проводника;
  • на планках у основания креста просверлить отверстия для закрепления кабеля. Между ними вырезать три канавки.

Точная выдержка размеров позволяет соорудить конструкцию с высоким приемом радиочастот.

Форма магнитных рамок

Магнитная антенна из коаксиального кабеля – петля из проводника, которая подключается к конденсатору. Петля, как правило, имеет вид круга. Это обусловлено тем, что такая форма повышает эффективность конструкции. Площадь этой фигуры наибольшая по сравнению с площадью других геометрических тел, следовательно, и охват сигнала будет увеличен. Производители товаров для радиолюбителей выпускают именно круглые рамки.

Установка конструкции на балконе

Чтобы приборы работали на конкретном диапазоне волн, сооружают петли различных диаметров.

Существуют также модели в виде треугольников, квадратов и многоугольников. Применение таких конструкций обусловлено в каждом конкретном случае разными факторами: расположение устройства в комнате, компактность и др.

Круглые и квадратные рамки считаются одновитковыми, т.к. проводник не скручен. На сегодняшний день специальные программы типа KI6GD позволяют рассчитывать характеристики только одновитковых антенн. Этот вид неплохо зарекомендовал себя для работы на высокочастотных диапазонах. Главным недостатком их является крупногабаритность. Многие специалисты стремятся к работе на низких частотах, поэтому магнитная рамочная установка так популярна.

Проведенные сравнительные расчеты нескольких схем с одним, двумя и более витками, при аналогичных условиях эксплуатации показали сомнительную эффективность многовиточных конструкций. Увеличение витков максимально целесообразно исключительно для уменьшения габаритов всего устройства. К тому же для реализации данной схемы необходимо повышение расхода кабеля, следовательно, неоправданно увеличивается стоимость самоделки.

Полотно магнитной рамки

Для максимальной эффективности работы установки необходимо добиться одного условия: сопротивление потерь в полотне рамки должно быть сопоставимо с величиной сопротивления излучения всей конструкции. Для медных тонких трубок это условие легко выполняется. Для коаксиальных кабелей большого диаметра такого эффекта добиться сложнее из-за высокого сопротивления материла. На практике применяются оба типа конструкций, т.к. другие типы работают намного хуже.

Приемные рамки

Если устройство выполняет исключительно функцию приемника, то для ее работы можно использовать обычные конденсаторы с твердыми диэлектриками. Приемные рамки для уменьшения габаритов выполняют многовиточными (из тонкой проволоки).

Для передающих приборов такие конструкции не подходят, т.к. действие передатчика будет работать на нагрев установки.

Оплетка коаксиального кабеля

Оплетка магнитной рамки дает больший КПД, чем медные трубки и утолщение диаметра проводника. Для домашних экспериментов не подойдут модели в черной пластиковой оболочке, т.к. она содержит большое количество сажи. Во время работы металлические части при сильном нагреве оболочки выделяют вредные для человека химические соединения. К тому же эта особенность снижает сигнал передачи.

Коаксиальный кабель SAT-50M производства Италии

Этот тип коаксиального кабеля подходит исключительно для антенн большого размера, т.к. их сопротивление излучения проводника полностью компенсирует входное сопротивление.

Воздействие внешних факторов

Благодаря физическим свойствам коаксиальных кабелей, антенны не подвержены воздействию температуры и осадков. Негативным последствиям поддается лишь оболочка, создаваемая внешними факторами – дождем, снегом, льдом, т.к. вода имеет большие по сравнению с кабелем потери на высоких частотах. Как показывает практика, использовать такие конструкции на балконах можно в течение нескольких десятков лет. Даже при сильных морозах не наблюдается значительного ухудшения приема.

Для повышения приема магнитные приборы из коаксиального кабеля лучше размещать в помещениях или местах уменьшенного воздействия осадков: под козырьками крыш, на защищенных частях открытых балконов. Иначе устройство будет работать в первую очередь на нагрев окружающей среды, и только потом на прием и передачу сигналов.

Главным условием стабильной работы является защита конденсатора от внешних воздействий – механических, погодных и т.д. При длительном воздействии внешних факторов из-за высокочастотного напряжения возможно образование дуги, что при перегреве быстро приводит к отпайке от схемы или выходу из строя данной детали.

Рамки для высокочастотных диапазонов выполняют горизонтальными. Для низкочастотных, при высоте более 30 м, целесообразно сооружение вертикальных конструкций. Для них высота установки не влияет на качество приема.

Расположение устройства

Если данный механизм будет расположен на крыше, то необходимо предусмотреть одно условие – эта антенна должна быть выше всех остальных. На практике добиться идеального размещения зачастую невозможно. Магнитная рамочная установка достаточно неприхотлива к близкому расположению сторонних предметов и сооружений – башен вентиляции и т.д.

Правильным будет расположение на крыше сердечником вдаль так, чтобы не было поглощения сигнала большими моделями. Ввиду этого при установке на балконе снижается ее КПД. Такое расположение оправдано в тех случаях, когда обычные приемники работают некорректно.

Синхронизация рамки и кабеля

Согласование деталей достигается размещением индуктивной петли малых размеров в большую. Для симметричной связи в прибор включают специальный симметрирующий трансформатор. Для несимметричной – подключение кабеля напрямую. Заземление антенны производят в месте крепления шлейфа к основанию большого круга. Деформация шлейфа помогает добиться более точной настройки прибора.

Модификация устройства из коаксиального кабеля

Плюсы и минусы устройства

Преимущества

  • низкая себестоимость;
  • простота монтажа и обслуживания;
  • доступность исходных материалов;
  • установка в небольших комнатах;
  • долговечность устройства;
  • эффективная работа вблизи других радиоприборов;
  • отсутствие особых требований для достижения качественного приема (такие устройства работают стабильно и летом и зимой).

Недостатки

Главным недостатком является постоянная подстройка конденсаторов во время смены рабочего диапазона. Уровень помех уменьшается поворотом конструкции, что во время работы бывает крайне затруднительно из-за геометрических форм и расположения деревянных дощечек. Из-за излучений на близком расстоянии происходит передача информации с магнитных лент (во время включения магнитофона) на устройства с катушками индуктивности (телевизоры, радио и т.п.) даже при выключенных антеннах. Уровень наводок можно уменьшить за счет изменения расположения прибора.

Во время работы нельзя прикасаться к металлическим частям, из-за сильного нагрева можно получить ожоги.

Делаем сами. Видео

Как сделать широкополосную активную антенну своими руками, можно узнать из этого видео.

Магнитная рамочная антенна является наиболее целесообразным бюджетным решением для домашнего использования. Главные преимущества – работа на разных частотах, простота сборки и компактность. Хорошо выполненный прибор может получать и передавать отличный сигнал на достаточно большое расстояние.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector